Post on 28-Feb-2020
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
ÇAPRAZ AKIŞLI ISI DEĞİŞTİRİCİ DENEYİ LABORATUVAR FÖYÜ
LAB REPORT OF CROSS FLOW HEAT EXCHANGER EXPERIMENT
1. Isı Değiştiriciler
Isı değiştiriciler, birbirine karışmaları engellenen sıcaklıkları farklı iki akışkan arasında ısı
değişimini sağlayan aygıtlardır. Isı değiştiriciler, evlerdeki ısıtma ve havalandırma
sistemlerinden büyük fabrikalardaki kimyasal işlem ve güç üretimine kadar çok çeşitli
uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı değiştiricilerin karışma odalarından
farkı, iki akışkanın karışmasına izin vermemeleridir.
Bir ısı değiştiricide ısı transferi genellikle, her bir akışkanın tarafında taşınım ve iki akışkanı
ayıran duvarda iletim içerir. Bir ısı değiştirici çözümlenirken, ısı transferi üzerinde bütün bu
etkilerin katkısını hesaba katan toplam ısı transfer katsayısı U ile çalışılması uygundur. Bir ısı
değiştiricinin bir konumunda iki akışkan arasındaki ısı transfer hızı, o yerdeki sıcaklık farkının
büyüklüğüne bağlıdır. Isı değiştiriciler çok çeşitli tiplerde üretilmektedir; dolayısıyla ısı
değiştiricilerin sınıflandırılması ile başlanmalıdır. Daha sonra ısı değiştiricilerde toplam ısı
transfer katsayısının bulunması ve bazı düzenlemeler için “logaritmik ortalama sıcaklık farkı
(LOSF/LMTD)” tartışılmaktadır. Daha sonra karmaşık ısı değiştirici düzenlerinde ortalama
sıcaklık farkının LOSF’e göre sapmasını hesaba katmak üzere F düzeltme faktörü
tanıtılmaktadır. Sonra, akışkanların çıkış sıcaklıkları bilinmediği zaman ısı değiştirici
çözümlemesini sağlayan etkinlik-NTU yöntemi tartışılmaktadır.
1.1. Çapraz Akışlı Isı Değiştiriciler
Çapraz akışlı ısı değiştiricileri karışan veya karışmayan olarak ikiye ayrılırlar. Isı transferinde
kullanılan akışkanların birbirine yakın farklı yüzeyler içinden aktığı sistemler birbirine
karışmayan ısı değiştiricileri olarak adlandırılır (Şekil-1). İki akışkandan birinin bir kanal içinde
aktığı durumda diğerinin o kanal üzerinden serbestçe aktığı sistemler karışan ısı
değiştiricileridir.
Şekil 1. Birbirine karışmayan (c), birbirine karışan (d) çapraz akışlı ısı değiştirici örnekleri.
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
Çapraz akışlı ısı değiştiriciler gündelik yaşamda sık sık kullandığımız ısı değiştiricilerindendir.
Araba radyatörleri, klimalar, ısıtma-soğutma-iklimlendirme (HVAC) sistemleri, buzdolapları
ve çeşitli fanlarda çarpraz akışlı ısı değiştiricileri kullanılırlar (Şekil-2).
Şekil-2. A) araba radyatörü, B) klima ısı değiştiricisi, C) ısı geri kazanım ısı değiştiricisi, D)
plakalı ısı değiştiricisi.
2.1.Deneyin Amacı
Bu deneysel çalışmada, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve ısı transferi derslerinde edinilen
temel bilgiler kullanılarak, bir ısı değiştiricisinin ısı transferi analizi yapılacaktır. Isı
değiştiricisinde sıcak ve soğuk akışkanların kütlesel debileri ile akışkanlar arası
aktarılan/çekilen ısı transfer miktarları deneysel olarak belirlenecek ve sistem için logaritmik
sıcaklık farkı ve toplam ısı transferi katsayısı hesaplanacaktır.
2.2.Deney Düzeneğinin Tanıtımı
TICF model çapraz akışlı ısı değiştiricisi içinde fan ve radyatörün bulunduğu dikdörtgen prizma
bir hava kanalından oluşmaktadır. Bu ısı değiştirici deney düzeneğinde, sadece sıcak su
sirkülasyonu mevcuttur. Sıcak suyun radyatör içinden geçerken fan ile radyatör üzerine hava
A B
C D
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
üflenmektedir. Oda sıcaklığındaki hava radyatöre temas ettikten sonra ısınarak hava kanalını
terketmektedir. Bu esnada kanal girişinde ve kanal çıkışında hava sıcaklıkları ölçülüp, hava hızı
da anlık olarak kaydedilmektedir. Havan kanalı PMMA malzemeden üretilmiş olup, boyutları
800 mm x 200 mm x 200 mm’dir. Kullanılan fanın maksimum debisi 600 m3/h’tir. Radyatör
malzemesi alüminyumdur ve radyatör ısı transfer alanı 35000 mm2’dir. Kullanılan ısılçiftler J
tipidir. Hava hız sensörü ölçüm aralığı 0~4 m/s’dir. Sistemin çalışması için 220 V ve 50 Hz’lik
güç kaynağı gerekmektedir. Çalışma akışkanı olarak çeşme suyu kullanılacaktır.
Şekil 3. TIVS model bobin tank ısı değiştiricisi deney düzeneği.
10: Fan
11: Radyatör
12: Sıcak su giriş ve çıkış küresel vanaları
13: Sıcak su giriş sıcaklığını ölçen ısılçift
14: Sıcak su çıkış sıcaklığını ölçen ısılçift
15: Hava giriş sıcaklığını ölçen ısılçift
16: Hava çıkış sıcaklığını ölçen ısılçift
17: Hava hız sensörü
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
2.3.Paralel ve Karşıt Akışlı Isı Değiştiricilerinin Genel Sıcaklık Dağılım Grafikleri
Tsıcak,giriş= Sıcak su giriş sıcaklığı (°C)
Tsıcak,çıkış= Sıcak su çıkış sıcaklığı (°C)
Tsoğuk,giriş= Soğuk su giriş sıcaklığı (°C)
Tsoğuk,çıkış= Soğuk su çıkış sıcaklığı (°C)
2.3.1. Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD Yöntemi)
∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛(∆𝑇1 ∆𝑇2⁄ )
ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,giriş ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,çıkış
ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,çıkış ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,giriş
�̇� = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚
U: toplam ısı transfer katsayısı, (W/m2K)
As: ısı transfer yüzey alanı, (m2)
ΔTlm: ortalama logaritmik sıcaklık farkı, (°C)
�̇�: ısı transfer hızı, (W)
Tsıcak, giriş
Tsıcak, çıkış
Tsoğuk, çıkış
Tsoğuk, giriş
Tsoğuk, çıkış
Tsoğuk, giriş
Tsıcak, giriş
Tsıcak, çıkış ΔT1 ΔT2
ΔT2
ΔT1
Paralel Akış Karşıt Akış
(1)
(2)
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
2.3.2. Çapraz Akışlı Isı Değiştiricilerde Düzeltme Faktörü
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı bağıntısı, yalnızca paralel akışlı ve karşıt akışlı ısı
değiştiricilerle sınırlıdır. Çapraz akışlı durumlarda eşdeğer sıcaklık farkı ile karşıt akışlı
durumdaki logaritmik ortalama sıcaklık farkı aşağıdaki gibi ilişkilendirmelidir.
∆𝑇𝑙𝑚 = 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴
Bu denklemde F düzeltme faktörüdür. Düzeltme faktörü, ΔTlm’nin karşıt akışlı durumdaki
karşılığı olan değerden sapmanın ölçüsüdür. F düzeltme faktörü P ve R sıcaklık oranları ile elde
edildikten sonra aşağıda verilen düzeltme faktörü grafiklerinden alınmalıdır.
𝑃 =𝑡2 − 𝑡1
𝑇1 − 𝑡1
𝑅 =𝑇1 − 𝑇2
𝑡2 − 𝑡1
1 ve 2 alt indisleri sırasıyla giriş ve çıkışı gösterir. Düzeltme faktörü grafiklerinde görüldüğü
gibi gövde borulu bir ısı değiştiricisi için T ve t sırayla gövde ve boru tarafındaki sıcaklıkları
gösterir.
Şekil 3. F düzeltme faktörü grafiği.
P
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
2.3.3. Isı Transfer Hızını Kullanarak Toplam Isı Transfer Katsayısının
Bulunması
İki akışkan arasındaki ısı transfer hızı:
Isı değiştiricilerin çözümlenmesinde, sıcak akışkandan soğuk akışkana olan ısı akışı yönünde
bütün ısıl dirençleri tek R direncinde toplamak ve iki akışkan arasındaki ısı transfer hızını,
𝑄 =∆𝑇
𝑅= 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş ∙ ∆𝑇
1
𝑈 ∙ 𝐴𝑠=
1
𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç=
1
𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş= 𝑅
1
𝑈≈
1
ℎ𝑖ç+
1
ℎ𝑑𝚤ş
Sıcak akışkanın ısı transfer hızı:
𝑞𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş)
msıcak akışkan: sıcak akışkanın kütlesel debisi, (g/s)
cp,sıcak akışkan: sıcak akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)
qsıcak akışkan: sıcak akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)
Soğuk akışkanın ısı transfer hızı:
�̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş)
msoğuk akışkan: soğuk akışkanın kütlesel debisi, (g/s)
cp,soğuk akışkan : soğuk akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)
qsoğuk akışkan: soğuk akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)
Teorik olarak �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ile �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 aynı olması gerektiğinden ve ısı transferi sıcaktan
soğuğa doğru gerçekleştiğinden dolayı toplam ısı transfer katsayısını bulmak için �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛
kullanılacaktır.
�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚
(6)
(7)
(8)
(3)
(4)
(5)
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
3. Deneyden İstenenler
a) Deney düzeneğini şematik olarak çiziniz. Isı geçişini gösteren grafiği Excel ile çiziniz. Akışın
türünü (paralel/karşıt/çapraz) belirtiniz.
b) Isı değiştiricisine giren sıcak ve soğuk suyun termofiziksel özelliklerini tablo halinde yazınız.
c) Suya olan ısı transfer miktarını hesaplayınız.
d) İki akış arasındaki logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız ve deneysel toplam ısı geçiş
katsayısını hesaplayınız.
e) Düzeltme faktörünü elde etmek için gerekli oranları (P ve R) bulunuz.
f) 𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟’ü hesaplayınız.
ÖRNEK UYGULAMA:
Deneyde ölçülen değerler: (Çapraz akış)
𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 54.9°𝐶 𝑇ℎ𝑎𝑣𝑎,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 27.1°𝐶
𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş = 48.3°𝐶 𝑇ℎ𝑎𝑣𝑎,ç𝚤𝑘𝚤ş = 44.0°𝐶
�̇�𝑠𝑢 = 2.0 𝐿
𝑑𝑘 𝑣ℎ𝑎𝑣𝑎 = 1.25
𝑚
𝑠
𝐴𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 = 0.035 𝑚2
𝑇𝑠𝑢,𝑜𝑟𝑡 =𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş + 𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş
2=
54.9°𝐶 + 48.3°𝐶
2= 51.6°𝐶
≈ 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑜 𝑜𝑘𝑢𝑚𝑎 𝑖ç𝑖𝑛 50°𝐶 𝑎𝑙𝚤𝑛𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑟
Yunus Çengel Isı Transferi kitabının tablolarından “tablo A-9 doymuş suyun özellikleri”
Suyun 50°C’deki termofiziksel özellikleri:
25°C
30°C
35°C
40°C
45°C
50°C
55°C
60°C
Su Hava
KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019
ρ = 965.3 kg/m3k = 0.637 W/m.K
cp = 4206 J/kg.K
�̇�𝑠𝑢 = �̇�𝑠𝑢 ∙ 𝑐𝑝 @50°𝐶 ∙ (𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş)
�̇�𝑠𝑢 = 𝜌@50°𝐶 . �̇�
�̇�𝑠𝑢 [𝑘𝑔
𝑠] = 965.3
𝑘𝑔
𝑚3∙ 2.0
𝐿
𝑑𝑘∙
1 𝑑𝑘
60 𝑠∙
1 𝑚3
1000 𝐿
�̇�𝒔𝒖 = 0.032 [𝑘𝑔
𝑠] ∙ 4206 [
𝐽
𝑔. °𝐶] ∙ (54.9°𝐶 − 48.3°𝐶)
�̇�𝒔𝒖 = 𝟖𝟖𝟕 𝑾
�̇�𝑠𝑢 = 𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 ∙ 𝐴𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴
𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 =𝑞
𝐴 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴
∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝑙𝑛∆𝑇1
∆𝑇2
=(54.9°𝐶 − 44.0°𝐶) − (48.3°𝐶 − 27.1°𝐶)
𝑙𝑛(54.9°𝐶 − 44.0°𝐶)(48.3°𝐶 − 27.1°𝐶)
= 𝟏𝟓. 𝟒𝟖 °𝑪
𝑃 =𝑡2 − 𝑡1
𝑇1 − 𝑡1=
48.3°𝐶 − 54.9°𝐶
27.1°𝐶 − 54.9°𝐶= 𝟎. 𝟐𝟑𝟕
𝑅 =𝑇1 − 𝑇2
𝑡2 − 𝑡1=
27.1°𝐶 − 44.0°𝐶
48.3°𝐶 − 54.9°𝐶= 𝟐. 𝟓𝟓𝟔
P=0.237 ve R=2.556 oranlarına göre Şekil-3’te verilen grafikten F düzeltme faktörü 0.96
olarak okunur.
𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 =𝑞
𝐴𝑜𝑟𝑡 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴=
887 𝑊
0.035 ∙ 0.96 ∙ 15.48°𝐶
𝑼𝒓𝒂𝒅𝒚𝒂𝒕ö𝒓 = 𝟏𝟕𝟎𝟓. 𝟑𝟓 𝑾
𝒎𝟐 °𝑪
F=0.96